倪晋仁-北京大学科学研究部

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石田螺处理城市剩余污泥试验梁敏;陶虎春;倪晋仁;刘耀成;李伟;吴应超【摘要】应用石田螺(Sinotaia quadrata)摄食和消化城市剩余污泥,通过考察石田螺的最佳养殖密度、城市剩余污泥经石田螺处理前后性质的变化和重金属转移规律,对石田螺处理城市剩余污泥的可行性进行了研究. 结果表明:石田螺在养殖密度为13～15 kg/m3时存活率较高;石田螺可将城市剩余污泥直接转化为颗粒螺粪,可有效去除污泥中的有机物,对VS和TOC去除率分别达到23%和37%. 对城市剩余污泥经石田螺处理后得到的螺粪进行厌氧发酵产气试验,12 d后的总产气量仅为0.5 mL,可见螺粪的厌氧消化活性较低,这可在一定程度上避免污泥腐化发臭. 石田螺对城市剩余污泥中Cr,Cu,Zn,Pb和Cd 5种重金属的富集系数(BCF)分别为1.09,1.36,1.17,1.33和3.41;石田螺对Ni无富集作用. 城市剩余污泥处理后得到的螺粪重金属质量分数符合国家<农用污泥中污染物控制标准>(GB4284-84),在其他污染物项目达标的前提下,可用作为城市绿化用肥或土壤改良剂等,实现污泥的资源化利用.【期刊名称】《环境科学研究》【年(卷),期】2010(023)009【总页数】5页(P1180-1184)【关键词】城市剩余污泥;石田螺;稳定化;重金属;生物肥料【作者】梁敏;陶虎春;倪晋仁;刘耀成;李伟;吴应超【作者单位】北京大学深圳研究生院环境与能源学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东,深圳,518055;北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学深圳研究生院环境与能源学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东,深圳,518055;北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学深圳研究生院环境与能源学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东,深圳,518055;北京大学深圳研究生院环境与能源学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东,深圳,518055;北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学深圳研究生院环境与能源学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东,深圳,518055;北京大学环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871【正文语种】中文【中图分类】X703.1随着经济和城镇化的快速发展，城市污水处理设施建设速度不断加快，污水处理过程中产生的城市剩余污泥的安全、环保、有效处理处置已成为亟待解决的问题［1-2］.据调查，我国只有部分污水处理厂对污泥进行浓缩、消化稳定和干化脱水处理，许多小型的污水处理厂由于运行资金不足而没有建设完善的污泥处理系统［3］.投资小、运行成本低的生物处理技术受到越来越多的关注，如污泥发酵产沼气［4-5］、污泥堆肥［6-8］和蚯蚓分解处理法［9-12］等. 污泥堆肥和蚯蚓分解处理法均可将城市剩余污泥转化为富含植物营养、土壤酶和腐植酸的生物肥料，但一般只适用于含水率较低的脱水污泥［13-14］，因此研究应用生物技术直接处理含水率较高的城市剩余污泥具有重要意义.目前已有利用细菌捕食者(如原生动物纤毛虫、后生动物线虫轮虫、环节动物水螅等微型动物)实现污水处理过程中污泥减量化的相关研究［15-17］，但鲜见利用田螺科底栖动物通过摄食消化作用将城市剩余污泥转化为生物肥料的研究报道.石田螺，俗称石螺蛳(Sinotaia quadrata)，属软体肌肉动物门，腹足纲，栉鳃目，田螺科，石田螺属;其分布极广，栖息在河川、池塘或者水田等泥质水底中，以细菌、浮游动物残体和有机杂质为食［18］.城市剩余污泥由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成.笔者尝试将城市剩余污泥作为石田螺的食料，利用石田螺对城市剩余污泥的摄食、消化作用实现城市剩余污泥的稳定化、减量化和无害化.通过城市剩余污泥直接养殖石田螺试验考察石田螺的最佳养殖密度、城市剩余污泥经石田螺处理前后性质的变化和重金属转移规律，探索石田螺直接处理城市剩余污泥的可行性.1.1 污泥试验污泥取自深圳市罗芳污水处理厂的污泥浓缩池，样品采集后静置沉淀，弃去上清液后于4℃冰箱中冷藏备用，含水率为89.0% ～92.4%，p H为6.7～7.3.1.2 石田螺石田螺购自深圳市布吉农产品批发市场，品种为石田螺(又称环棱螺，Sinotaia quadrata)，螺壳较小，绿褐色，螺塔较高，壳高为1～2 cm.选取单只体质量为1.5～2.5 g活力好的石田螺约500只，用自来水洗净后养于塑料箱中备用.1.3 试验步骤石田螺养殖密度试验在3个规格为31 cm×44 cm×26 cm的塑料箱中进行，水深为8 cm左右，每日仅投喂污泥1次，不添加其他食料.3个塑料箱中石田螺的生物量分别为167，293和415 g，即密度分别为 15.3，26.8 和 37.1 kg/m3，分别为命名 L1，L2和L3，每日投喂污泥量(湿质量)约为石田螺体质量的10%.每日观察石田螺对污泥的摄食情况，及时清理死亡的石田螺，记录塑料箱中石田螺生物量的变化.在石田螺最佳养殖密度的条件下进行城市剩余污泥处理试验，每日早上08：00投喂污泥1次.观察石田螺消化污泥所需的时间，污泥无残余后收集螺粪，分析污泥经石田螺摄食、消化处理前后性质的变化.我国城市剩余污泥常见的重金属有Cr，Cu，Zn，Ni，Pb 和 Cd 等［19-21］，《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)中也有相关污染物的控制指标，因此选取这6个重金属污染物指标.取新鲜未投喂过污泥的石田螺约150 g养殖于塑料箱中，每日投喂污泥1次，投喂量同上.试验周期为100 d，每隔20 d取一定量的石田螺和螺粪冷冻干燥后备用，分别测定原始污泥、石田螺软体肌肉组织和螺粪中6种重金属的质量分数，研究重金属在石田螺中的转移规律.1.4 分析方法污泥及螺粪中挥发性固体(VS)采用重量法测定;总有机碳(TOC)测定采用德国耶拿分析仪器股份公司的multiN/C3100型TOC仪;粒径分析采用美国麦奇克有限公司的S3500型激光粒度分析仪.厌氧消化稳定性评价：取污泥及螺粪各15 g置于100 mL厌氧瓶中，加入纯净水稀释至50 mL，软胶塞密封瓶口，以史氏发酵管收集厌氧发酵产生的气体［22］. 采用微波消解-火焰原子吸收分光光度法测定石田螺软体肌肉组织、投喂污泥和螺粪中的重金属质量分数.试样预处理：取出冷冻干燥后保存的石田螺，砸碎外壳后取其软体肌肉组织(剔除消化系统)，置于玛瑙研钵中研磨成粉末，充分混匀备用［23］.所有样品均在105℃烘箱中烘干至恒质量后置于干燥器中冷却至常温，得到备用样品.称取0.1～0.3 g(精确至0.000 1 g)石田螺样品粉末于聚四氟乙烯微波消解罐中，加硝酸5～6 mL，再加入过氧化氢(30%)1～2 mL，进行微波消解.冷却至室温，用去离子水少量多次洗涤消化罐，洗液合并于50 mL容量瓶中，定容至刻度，摇匀备用［24］.准确称取0.1～0.3 g(精确至0.000 1 g)投喂污泥(或螺粪)研磨混合备用样品于消解罐中，加入3 mL氢氟酸，7 mL硝酸，3 mL盐酸和2 mL过氧化氢，经微波消解后，将消解液体置于可调电热板上蒸至近干，用2%HNO3定容于50 mL容量瓶中［25-26］.同时做试剂空白，硝酸、过氧化氢(30%)、氢氟酸、盐酸、氢氟酸均为优级纯.采用火焰原子吸收分光光度法(SOLAAR-S4，美国热电公司)测定消解液中重金属离子浓度，计算得到石田螺软体肌肉组织、投喂污泥和螺粪中的重金属质量分数.富集系数(BCF)对了解重金属在生物体内的富集、代谢、迁移和转化规律有重要意义［27-28］，计算石田螺对重金属的富集系数可有效评估重金属在石田螺体内的累积效应，其表达式如下：式中，w1为石田螺软体肌肉组织中的重金属质量分数(连续投喂污泥100 d后)，mg/kg;w2为城市剩余污泥中的重金属质量分数，mg/kg.2.1 养殖密度对石田螺存活率的影响相同投喂比例下，养殖密度对石田螺的存活率影响较为显著，结果如图1所示.由图1可见，L1组石田螺的存活率较高，仅在试验开始时出现螺只的死亡，17 d后未再出现过螺只的死亡，存活生物密度保持在13.1 kg/m3，存活率达到85.6%.L2组在试验初期存活生物密度持续下降，但随着石田螺对污泥饵料的适应和生物密度的降低，死亡率逐渐下降，最终存活生物密度为 10.7 kg/m3，存活率为39.9%.试验初期和中期L3组的存活生物密度持续下降，18 d后死亡率有所下降，最终存活生物密度为13.2 kg/m3，存活率为34.8%.可见石田螺的养殖密度不宜过高，应设置为13～15 kg/m3.2.2 石田螺处理对污泥性状与有机物质量分数的影响在养殖密度为13.8 kg/m3的条件下(每箱石田螺的生物量为150 g)重复污泥投喂试验，每日污泥投喂量(湿质量)为石田螺生物量的10%(即15 g).在塑料箱上方安置视频摄像头，每隔10 min拍照1次，观察污泥摄食与螺粪排泄情况.观察发现，石田螺消化15 g浓缩污泥约需要10～12 h;24 h后收集螺粪发现，絮体状污泥已被石田螺转化为黄色球形或椭球形的颗粒螺粪，光学显微镜下测得其直径约为0.1～0.3 mm.将污泥与螺粪分别放入S3500型激光粒度分析仪中，经样品高速分散系统处理后测得二者的粒径分布，结果如图2所示.由图2可见，污泥分散后粒径较大，多数在4.6～18.5μm的范围;而螺粪颗粒分散后粒径较小，多数在3.3～13.1 μm之间.可见污泥经石田螺消化处理后其内部松散的絮状物可转化为结构密实的颗粒螺粪.收集螺粪并分析其有机物质量分数，有机物包括挥发性固体(VS)和总有机碳(TOC)，做5次重复取其平均值，结果如图3所示.由图3可见，w(VS)由处理前(原始污泥)的20.1 g/kg减至处理后(螺粪)的16.2 g/kg，去除率达到23%;w(TOC)亦由处理前的8.1 g/kg减至处理后的5.1 g/kg，去除率达到37%.可见石田螺对污泥的摄食、消化可分解污泥中的有机物，在一定程度上实现污泥稳定化.综上，石田螺处理污泥可得到结构密实的颗粒螺粪，有效降低污泥中的有机物质量分数;但石田螺对污泥的处理速度较慢，10～12 h内的污泥处理量(湿质量)约为其自身生物量的10%，即最大日处理量约为石田螺生物量的20%.2.3 石田螺处理对污泥厌氧消化稳定性的影响比较污泥厌氧发酵的产气量是评价其厌氧消化稳定性的有效途径.试验中不加入接种污泥，直接对原始污泥和螺粪进行厌氧发酵，其累计总产气量如图4所示.由图4可见，原始污泥的日产气量较为平均，总产气量持续稳定增加，12 d后其总产气量达24 mL;而螺粪在前半阶段基本无产气，该阶段观察厌氧瓶亦发现螺粪一直保持黄色球形或椭球形密实颗粒态，无厌氧发酵迹象.21 d后原始污泥的总产气量达46 mL，而螺粪的总产气量仅缓慢升至16 mL，可见原始污泥的产气情况明显好于螺粪.这可能是因为原始污泥中含有大量的产甲烷菌等细菌，污泥经石田螺摄食、消化处理后，大部分细菌被消化酶分解导致螺粪中活性菌数量极少.此外，污泥经石田螺处理后有机物质量分数的降低也是螺粪产气量较低的原因之一.可见，石田螺处理可将污泥转化为较为稳定的螺粪，在一定程度上避免了污泥腐化发臭，实现污泥的稳定化.2.4 重金属的转移规律在石田螺处理污泥的试验过程中，每隔20 d取一定量的石田螺冷冻干燥后测定其软体肌肉组织中重金属质量分数，结果见图5.比较投喂污泥后石田螺软体肌肉组织中各种重金属质量分数的变化可知，除了w(Ni)在波动中略有降低外，其他5个指标均有所升高.连续投喂污泥100 d后，石田螺体内w(Zn)由(217.87±10.28)mg/kg升至(295.03±11.51)mg/kg，w(Cu)由(109.16±7.09)mg/kg升至(175.79±13.71)mg/kg，w(Pb)由(22.88±6.56)mg/kg显著升至(55.89 ±3.68)mg/kg，w(Cr)由(9.39±1.25)mg/kg升至(25.34±3.58)mg/kg，w(Cd)由(0.333±0.03)mg/kg升至(3.57±0.19)mg/kg.计算得到石田螺对污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd这5种重金属的富集系数分别为1.09，1.36，1.17，1.33和3.41;石田螺对Ni可能无富集作用.对原始污泥和螺粪中6种重金属质量分数进行分析，并与国家《农用污泥中污染物控制标准》(GB4284—84)中酸性土壤(pH＜6.5)农用标准进行比较，结果如图6所示.由图6可知，除了w(Ni)外，原始污泥经过石田螺处理后重金属质量分数均有所下降.污泥与螺粪中重金属质量分数均低于酸性土壤污泥施用的最高容许量，而碱性土壤的最高容许量更高，因此污泥经石田螺处理后得到的螺粪中 Cr，Cu，Zn，Pb，Cd 和 Ni 6 种重金属质量分数符合国家农用标准，在其他污染物项目达标的前提下，可将其用作城市绿化用肥或土壤改良剂等，实现污泥的资源化利用.a.石田螺以城市剩余污泥为食料，试验中石田螺的最佳养殖密度为13～15 kg/m3.石田螺将城市剩余污泥直接转化为螺粪，对剩余污泥的VS去除率达23%，对TOC去除率达37%;但石田螺对污泥的处理速度较慢，污泥日处理量(湿质量)约为石田螺生物量的20%.b.城市剩余污泥经石田螺处理后形成的螺粪厌氧消化活性较低，可在一定程度上避免污泥腐化发臭，实现污泥的稳定化.c.石田螺对城市剩余污泥中 Cr，Cu，Zn，Pb和Cd有较强的富集，对 Ni可能无富集作用.城市剩余污泥经处理后得到的螺粪中的重金属质量分数符合国家农用标准，在其他污染物项目达标的前提下，可将其用作城市绿化用肥或土壤改良剂，实现污泥的资源化利用.【相关文献】［1 ］ WANG H L，BROWN S L，MAGESAN G N，et al.Technological options for the management of biosolids［J］.Environ Sci 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爱考机构-北大考研-环境科学与工程学院研究生导师简介-倪晋仁倪晋仁系所:环境工程系职称:教授联系电话:86-10-62751185，62754290E-mail:nijinren@个人简介科研工作教学工作倪晋仁，男，汉族，1962年8月生，山西山阴人。

1978~1982年在武汉大学水利学院治河工程系念大学；1982~1989年在清华大学水利工程系先后师从黄万里、钱宁教授攻读硕士、博士学位；1989~1991年在北京大学城市与环境系做博士后研究。

曾在英国牛津大学工程科学系、日本北海道大学土木工程系和瑞士联邦苏黎世高等理工学院（ETH）环境工程研究所做访问学者。

1991年在北京大学被聘为副教授，1992年被聘为教授。

致力于推进北京大学环境工程学科建设，组建了北京大学环境工程研究所（1995）、教育部水沙科学重点实验室（2000）、环境学院环境工程系（2002）、环境工程实验室（2004），结合环境科学与工程学科整合的优势获得了学科博士点；启动了深圳研究生院环境工程专业学科建设（2004），倡议并组建了国立新加坡大学-北京大学-牛津大学（SPO）水与环境技术平台（2010），建立了北京市新型污水深度处理工程技术研究中心（2012），初步形成了北京大学环境工程学科研究团队。

开设《环境科学与工程前沿》等4门课程。

主要致力于水沙两相流理论及其在水环境模拟、河流动力地貌的拓展研究，同时开展水体污染控制理论与治理技术方面的探索。

提出了水沙两相流中悬浮颗粒垂直分布的统一公式，使得Rouse等10余家著名公式成为特例；从动理论出发实现了从低到高颗粒浓度分布的统一描述，提出并解释了两种不同分布类型形成的原因；将两相流研究方法扩展应用于风沙运动、泥石流运动研究，构建了大范围、多尺度的流域渐发性和突发性泥沙灾害的快速评估方法体系。

基于多相流理论拓展建立了物理-化学-生物耦合过程的模拟方法，实现了活性污泥体系的多相流模拟与优化。

专利名称：一种低温生物脱氮的假单胞菌菌株及其应用专利类型：发明专利
发明人：姚硕,倪晋仁,陈倩
申请号：CN201010543794.8
申请日：20101115
公开号：CN102061276A
公开日：
20110518
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种能够在低温条件下进行生物脱氮的假单胞菌菌株及其应用。

本发明提供的假单胞菌(Pseudomonas sp.)菌株HA11已于2010年9月15日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC)，保藏号为CGMCC No.4169。

在10-20℃下，将该菌株置于溶解氧为2-6mg/L的含氮废水中即可生物脱氮。

该菌株对低温的耐受能力强，在低温条件下生长良好，并且同时具备异养硝化和好氧反硝化的能力。

在低温、好氧条件下，该菌株能够进行同步硝化反硝化，高效、彻底地去除污水中的总氮，从而有效解决低温条件下生物脱氮难以进行的重大难题，具有良好的应用前景。

申请人：北京大学
地址：100871 北京市海淀区颐和园路5号
国籍：CN
代理机构：北京金阙华进专利事务所(普通合伙)
代理人：吴鸿维
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黄河流域上中游地区土壤侵蚀潜在危险度及抗侵蚀潜力特征李秀霞;韩鹏;倪晋仁【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2009(040)003【摘要】根据黄河流域有效土层厚度,分析了在不同侵蚀强度下流域上中游地区的潜在侵蚀危险度,进一步预测了该区域对不同侵蚀强度的抗侵蚀潜力,并将其划分为很低、低、中等、较高、高5个级别.结果表明,黄河流域上中游区在不同侵蚀强度下,抗侵蚀潜力的变化范围在很低一较高级别之间.在中度侵蚀和强度侵蚀条件下,抗侵蚀潜力处于较高级别;在极强侵蚀条件下,抗侵蚀潜力属于"低"级别,此时该区域的侵蚀状况已经很严重,处于高侵蚀强度和高危险度状态;剧烈侵蚀时,区域侵蚀状况进一步恶化.通过比较分析表明,抗侵蚀潜力综合考虑了土壤侵蚀强度和潜在危险度双重指标,较传统的单一指标能更全面的反映区域土壤侵蚀状况,能够为黄河流域上中游区水土保持和可持续发展规划提供合理的决策支持.【总页数】7页(P303-309)【作者】李秀霞;韩鹏;倪晋仁【作者单位】北京大学,环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学,环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871;北京大学,环境工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京,100871【正文语种】中文【中图分类】X43【相关文献】1.黄河流域源区与上中游空中水资源特征分析 [J], 王光谦;李铁键;李家叶;魏加华;钟德钰2.泰安市土壤侵蚀潜在危险度评价 [J], 齐玉诚;关玉龙;孙希华3.基于GIS的三峡库区湖北段土壤侵蚀潜在危险度评价 [J], 蔡道明;李柏;张平仓;许文盛;惠波4.21世纪黄河流域上中游地区气候变化趋势分析 [J], 刘绿柳;刘兆飞;徐宗学5.应用GIS方法对土壤侵蚀潜在危险性进行评价及其时空分布特征研究 [J], 郭志民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。